Moderate-temperature near-field thermophotovoltaic systems with thin-film InSb cells
对基于石墨烯-六方氮化硼异质结构和薄膜InSb $\sim$- $n$结的近场热光伏系统进行了理论研究。两个近场系统与不同的发射器的性能进行了仔细检查。一个近场系统由石墨烯-六方-氮化硼-石墨烯三明治结构作为发射体组成，而另一个系统具有由双石墨烯-六方-氮化硼异质结构制成的发射体。结果表明，这两个系统具有更高的输出功率密度和能量效率比近场系统的基础上单石墨烯六方氮化硼异质结构。前者的最佳输出功率密度可达$1.3\times10^{5}~\rm{W\cdot m^{-2}}$，而最佳能量效率可达卡诺效率的$42\%$。我们分析了潜在的物理机制，导致所提出的近场热光伏系统的优异性能。我们的研究结果是有价值的高性能中温热光伏系统作为有吸引力的热-电能转换（废热回收）设备。
2021-01-26 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Effect of top metallic contacts on energy conversion performances for near-field thermophotovoltaics
针对热光伏电池正面金属接触栅极影响，研究基于严格三体理论框架与散射矩阵方法，将其建模为金属光栅，揭示了其对净辐射和电功率的显著影响并提出新的效率定义。
2024-12-05 physics.app-ph physics.optics
Thermionic-enhanced near-field thermophotovoltaics
固态热电转换器是使用基本粒子（如电子或光子）作为工作流体的热力学发动机。实际上，所有商业上可用的设备都是热电发电机，其中电子在温差的驱动下流过固体。热光电子学和热电子学是依赖于光子和电子的直接发射的高效替代方案。然而，由发射粒子携带的低能量通量显著地限制了它们产生的电功率密度潜力。在电子和热光伏器件中的发射器和接收器之间产生纳米级真空间隙能够分别显著增强电子和光子能量通量，这又导致所产生的电功率密度的增加。在这里，我们提出了一个电子增强近场热光伏器件，利用光子和电子通过纳米级真空间隙的同时发射。我们提出了一个设备中，光子和电子旅行从一个热的LaB 6涂层的钨发射极到一个紧密间隔的BaF 2涂层的InGaAs光电池的理论分析。穿过纳米级真空间隙的光子隧穿和空间电荷去除产生电子和光子通量的急剧增加，并且随后产生电功率密度的急剧增加。结果表明，在2000 K温度下，在100 nm的实际间隙距离下，可获得30%的转换效率和70 W/cm ~ 2的电功率密度，从而大大提高了独立近场热光伏器件的性能（10%和10 W/cm ~ 2）。这种纳米级能量转换器件的一个关键实际优势是使用无网格电池设计，消除了传统近场热光伏器件中不可避免的串联电阻和阴影损耗问题。
2019-04-16 physics.app-ph
Bi2Te3/Si thermophotovoltaic cells converting low temperature radiation into electricity
将低温辐射转化为电能的热光伏电池具有广泛的应用前景。本文介绍了在300 K-480 K黑体辐射下工作的Bi_2Te_3/Si热光伏电池。实验结果表明，该电池在300 K的辐射温度下仍能输出电能。Bi_2 Te_3/Si异质结的能带结构和Bi_2 Te_3薄膜中的缺陷降低了电池的转换效率。研究还表明，Si的电阻率和Bi_2 Te_3薄膜的厚度对Bi_2 Te_3/Si热光伏电池有重要影响。虽然电池的输出功率很小，但这项工作为利用低温辐射提供了一种可能的途径。
2020-03-30 physics.app-ph
Improved performance of a near-field thermophotovoltaic system by a back gapped reflector
可以应用各种光谱控制技术来改善热光伏（TPV）系统的性能。例如，背表面反射器（BSR）可以改善TPV系统的性能。传统的金属BSR结构通过经由背表面反射增加光子的吸收概率来增强光生速率，从而提供第二次吸收机会。然而，由BSR结构引入的表面钝化和外部发光效应先前被忽略，这潜在地降低了TPV系统的性能。最近，背隙反射器（BGR）结构被提出来大大提高远场TPV系统的性能，通过减少反射器-金属界面处的反射损耗。在目前的工作中，薄膜，近场InAs TPV系统与BGR的性能改善进行了研究，比较其性能与传统的金属BSR。表面钝化条件进行了研究，以进一步提高TPV系统与背反射器的性能。输出功率和效率的计算使用一个迭代模型相结合的波动电动力学和完整的漂移扩散模型。在钝化良好的情况下，当用BGR代替BSR时，计算的转换效率从16.4%提高到21%，并且在近场区输出功率增加了10%。最后分析了反射损耗和外发光损耗对性能的改善。
2021-07-20 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Group IV Mid-Infrared Thermophotovoltaic Cells on Silicon
化合物半导体已经成为当前中红外热光伏器件的主要组成部分，这些器件与低于2000 K的热转换和功率聚束有关。然而，与这些技术相关的高昂成本限制了它们的广泛采用。在此，为了缓解这一挑战，我们介绍了一种全IV族中红外电池直接在硅晶片上的GeSn合金组成。这类新兴的半导体提供应变和成分作为控制带隙能量的自由度，从而覆盖整个中红外范围。建议的热光伏器件是由一个完全放松的Ge $_{0.83}$ Sn $_{0.17}$双异质结构对应的带隙能量为0.29 eV。一个理论框架推导出高注入下的电池性能评估。利用广义传输矩阵方法研究了相干/非相干混合层堆积对黑体辐射的吸收。此外，还考虑了本征复合机制及其在窄带隙半导体中的重要性。在这方面，抛物带近似和费米的黄金法则相结合的辐射复合率的准确估计。基于这些分析，功率转换效率高达9%的预测为Ge $_{0.83}$ Sn $_{0.17}$热光伏电池下黑体辐射在500-1500 K范围内的温度。在正面照明下观察到效率略有改善，但在800 K以下消失，而使用背面反射器提高了整个调查黑体温度范围内的效率。异质结的厚度，表面复合速度，和载流子寿命的影响也阐明和讨论。
2023-02-21 physics.app-ph
Sub-0.6 eV Inverted Metamorphic GaInAs Cells Grown on InP and GaAs Substrates for Thermophotovoltaics and Laser Power Conversion
本研究在InP和GaAs衬底上制备了带隙低于0.6 eV的倒置变质GaInAs光伏转换器，通过优化缓冲层降低位错密度，实现了高效热光伏和激光功率转换，峰值效率分别达24.0%和36.8%。
2023-10-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Hot-carrier thermophotovoltaic systems
针对传统TPV系统功率密度与效率难以兼顾的问题，本文提出利用热载流子抑制电池热化损失，并通过细致平衡分析证明其可在最大功率点附近实现近卡诺效率。
2023-11-08 physics.app-ph
Solar Thermoradiative-Photovoltaic Energy Conversion
我们提出一个太阳能热能转换系统，包括一个太阳能吸收器，热辐射电池或负照明光电二极管，和一个光电池。因为它是一个热机，这个系统也可以与热存储配对，以提供可靠的发电。来自太阳能吸收器的热量驱动热辐射电池中的辐射复合电流，并且其发射的光被光电池吸收以提供附加的光电流。基于细致平衡的原则，我们计算出的极限太阳能转换效率为85%的完全集中的太阳光和45%的一个太阳吸收器和单结电池的面积相等。理想和非理想的太阳能热辐射光伏系统优于太阳能热光伏转换器的低带隙和实际的吸收器温度。它们的性能增强来自于对非辐射产生/复合的高耐受性和最小化辐射热损失的能力。我们表明，一个现实的设备与所有主要的损失可以实现太阳能转换效率的增加高达7.9%（绝对）相比，太阳能热光伏设备在低光集中。我们的研究结果表明，这些转换器可以作为有效的热机的低成本单轴跟踪系统。
2020-09-01 physics.app-ph
Thermodynamics of light management in near-field thermophotovoltaics
我们评估近场热光伏（TPV）能量转换系统，特别是集中在他们的开路电压（Voc）。与以前的分析主要基于波动电动力学的数值模拟不同，在这里，我们开发了一个分析模型，该模型捕获了近场TPV系统的物理特性，并可以预测其性能指标。使用我们的模型，我们确定了TPV系统在近场操作的两个重要机会。首先，我们分析表明，增强辐射复合是一个自然的结果，在近场操作。其次，我们注意到，由于近场操作中的光子再循环和最小的辐射泄漏，近场TPV系统中使用的PV电池与太阳能PV系统中使用的PV电池相比可以薄得多。由于非辐射复合是体积效应，因此使用较薄的电池减少了每单位面积的非辐射损失。随着TPV真空间隙的减小，这两种机会的结合导致Voc值越来越大。因此，尽管之前认为近场中的操作有利于电功率密度增强，但在此，我们强调薄膜近场TPV在Voc以及因此的转换效率和功率密度方面也具有显著优势。我们提供了数值计算结果的InAs基薄膜TPV，表现出效率> 50%，在发射极温度低至1100 K。
2021-07-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Thermophotovoltaic Efficiency of 40%
我们报道了热光伏（TPV）电池的制造和测量，其效率> 40%，这是创纪录的高TPV效率，也是高带隙串联TPV电池效率的第一个实验证明。通过量热法同时测量电功率输出和器件的热耗散来确定TPV效率。TPV电池是双结器件，包括带隙在1.0和1.4 eV之间的高质量III-V材料，针对1900-2400°C的高发射极温度进行了优化。这些电池利用带边光谱过滤的概念来获得高效率，使用高反射率的背表面反射器来拒绝不可用的亚带隙辐射返回到发射器。1.4/1.2 eV器件在30.4 W/cm 2的辐照度和2400°C的发射极温度下在2.39 W/cm 2的功率密度下达到（41.1 +/- 1）%的最大效率。1.2/1.0器件在20.1 W/cm 2的辐照度和2127°C的发射极温度下，在1.8 W/cm 2的功率密度下工作时达到了（39.3 +/- 1）%的最大效率。这些电池可以集成到TPV系统中，用于热能电网存储（TEGS），以实现可调度的可再生能源。这些新的TPV电池使TEGS能够达到足够高的效率和足够低的成本，从而实现电网的完全脱碳。此外，高效率还使TPV在成本和性能方面具有与基于涡轮的热机竞争大规模发电的潜力，从而可以用于天然气或氢燃料发电。
2021-11-16 physics.app-ph
Broadening near-field emission for performance enhancement in thermophotovoltaics
在热光电转换（TPV）中实现高效率的传统概念是使用在对应于电池的带隙的光子能量下的单色发射。在这里，我们从理论上证明，这样的概念是准确的理想化条件下，并进一步表明，当考虑到非辐射复合，效率的提高可以通过拓宽发射光谱，由于在开路电压的增强。通过增加短路电流，加宽发射光谱也提高了电功率密度。为了实际说明这些发现，我们专注于表面极化激元介导的近场TPV。我们提出了一种通用的设计策略，通过堆叠多个等离子体薄膜层来加宽发射光谱。作为一个例子，我们考虑一个现实的ITO/InAs TPV，并预测的转换效率的$50\%$同时与近$80$ W $/\mathrm{cm}^2$在$1300$ K发射极温度的功率密度。我们提出的系统的性能远远超过以前的作品在类似的系统中使用一个单一的等离子体层发射器。
2019-09-18 physics.app-ph physics.optics
Integrated near-field thermophotovoltaic device overcoming far-field blackbody limit
克服远场黑体极限的近场热辐射传递由于其极大地提高热光伏（TPV）发电系统的输出功率和转换效率的潜力而近年来引起了极大的关注。在这里，我们实验证明了一个单片近场TPV器件克服远场黑体限制，它集成了一个20微米厚的硅发射极和InGaAs光伏电池与亚波长间隙（<140 nm）。该器件在1192 K时的光电流密度为1.49 A/cm 2，是相同温度下远场极限的1.5倍。此外，我们获得了1.92 mW的输出功率和0.7%的系统效率为1毫米2的设备，这两个是一个到两个数量级大于先前报道的近场系统。模拟和实验之间的详细比较揭示了在放大设备中系统效率>35%的可能性，从而证明了我们的集成近场TPV设备在未来的实际应用中的潜力。
2021-05-07 physics.app-ph physics.optics
Materials Screening Approach to Thermochemically Stable Thin Film Optical Emitters for Thermophotovoltaics
该研究提出涂层/衬底双层薄膜高温发射体的材料筛选方法，基于53种高熔点材料模拟1800 °C下的性能权衡，发现AlN/W可使GaSb电池效率超过49%。
2024-10-19 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Colloidal Quantum Dot Tandem Solar Cells Using CVD Graphene as An Atomically Thin Intermediate Recombination Layer
双端串联电池架构被认为是进一步提高溶液处理的光致发光器件中的功率转换效率的有效方式。为了设计高效的串联太阳能电池，需要考虑两个关键问题。首先，具有良好匹配电流和互补吸收特性的子电池是高效率的先决条件。其次，确定适当的中间层（IML）连接子电池是必要的，以最大限度地减少光学和电子损耗。PbS胶体量子点（CQD）由于其低成本、溶液可加工性和显著的宽范围带隙可调谐性而成为子电池的显著选择。单层石墨烯（Gr）由于其高透明性和导电性而被认为是一种有前途的IML。在这里，作为一个概念的证明，我们展示了一个解决方案处理的两个终端PbS CQDs串联太阳能电池采用化学气相沉积Gr作为IML。在这样做时，我们报告了PbS CQD电池，其包括具有1.4和0.95 eV的带隙的子电池，其提供超过7%的功率转换效率，显著高于先前报道的CQD串联电池。
2019-04-02 physics.app-ph
Divergent Solid-state Conversion Pathways in Evaporated All-perovskite Tandem Solar Cells
Empa – Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology（瑞士联邦材料科学与技术研究院）；Zurich University of Applied Sciences（苏黎世应用科学大学）；ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）
本研究通过时间切片分析揭示顺序蒸发宽窄带隙钙钛矿的固态转化差异，据此开发1.26-1.96 eV吸收层，制成效率19.2%的首个蒸发全钙钛矿串联电池，并验证其长期稳定性。
2026-09-18 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Flexible perovskite/Cu(In,Ga)Se2 monolithic tandem solar cells
我们报告了一种概念验证的双端钙钛矿/Cu（In，Ga）Se 2（CIGS）单片薄膜串联太阳能电池，其生长在超薄（30微米厚）、重量轻且柔性的聚酰亚胺箔上，在标准测试条件下具有13.2%的稳态功率转换效率和超过1.75 V的高开路电压。
2019-07-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Bifacial near-field thermophotovoltaic converter with transparent intermediate substrate
本文提出带本征Si中间层的双面近场TPV转换器，兼顾PV电池冷却与抑制光子损耗，实现POD和CE同步提升。
2023-06-05 physics.app-ph
Wide angle tolerant solar spectral splitter for lateral tandem solar cells
本文通过逆向设计由玻璃基板两侧自由曲面微结构组成的太阳光谱分离器，解决了横向串联太阳能电池中光谱分离器角度依赖性强的问题，在宽入射角范围内提升转换效率，并可按需优化特定倾斜角度的性能。
2024-09-02 physics.app-ph physics.optics
Singlet fission and tandem solar cells reduce thermal degradation and enhance lifespan
光伏装置的经济价值取决于其寿命和功率转换效率。后者的进展包括规避肖克利-奎塞尔极限的机制，如串联设计和多激子产生（MEG）。在这里，我们解释了硅串联和MEG增强硅电池架构如何导致较低的电池工作温度，与标准c-Si电池相比，增加了器件寿命。MEG增强型硅电池的进一步优点也得到了证实：（i）器件架构可以完全避免电流匹配的需要;以及（ii）降解后，并四苯（一种候选单线态裂变（MEG的一种形式）材料）对太阳光谱是透明的。（i）和（ii）的组合意味着即使单线态裂变层劣化，初级硅器件也将继续以合理的效率操作。从模块的角度来看，单线态裂变增强硅电池的寿命优势与备受推崇的钙钛矿/硅串联和传统的c-Si模块相比是有利的。
2020-04-14 physics.app-ph
Single crystal monolithic up-converter solar cell device tandems with integrated optics
具有小于单结太阳能电池的带隙的能量的太阳能光子可以经由两个或更多个光子的上转换（UC）来利用，从而导致单个带隙以上光子的发射。由于UC的非线性性质，需要高度集中的光，其通常远大于太阳能电池的实际集中极限。有人提出，将光学元件集成到设备中的聚光上转换太阳能电池（UC-SC）可以帮助实现所需的高太阳辐照度。为了避免散射问题所产生的共同UC材料的基础上的微晶粉末，在这项工作中，集中器与单晶上变频器在硅基串联器件进行了研究。在$876 W/m^2$波长1493 nm红外照明下，采用凹面集成光学器件的上转换器件获得了6%的外量子效率。在高于$90 W/m^2$的辐照度下（相当于1450-1600 nm范围内的2.95倍），非聚光UC-SC的EQE比具有CPC的UC-SC高1.5倍，而低于$90 W/m^2$时，CPC UC-SC的EQE比非聚光参考器械高1.95倍。由于UC层的散射可以忽略不计，局部辐照度的分布以及其对器件性能的影响被揭示出来。据发现，在第一个1毫米的UC层的峰值在不同的深度，根据集中计划的辐照度积累。这些结果表明，通过使用集成光学的改进的上转换器件有足够的空间。
2021-12-07 physics.app-ph physics.optics
Two-Terminal Tandem Solar Cells based on Perovskite and Transition Metal Dichalcogenides
尽管涉及低温、基于溶液的合成工艺，但Percent太阳能电池已显示出与结晶硅太阳能电池相当的功率转换效率（PCE）。由于带隙为1.55 eV的钙钛矿太阳能电池的理论PCE由于肖克利-奎塞尔极限而被限制在33%，因此正在研究串联配置以超过该极限。在这里，我们提出了一个双端（2 T）串联太阳能电池结构组成的钙钛矿和多层过渡金属二硫属化物作为吸收层的顶部和底部的子电池，分别和研究其性能参数，使用太阳能电池电容模拟器-1维（SCAPS-1D）软件包。我们证明了由带隙为1.55 eV的CH_3 NH_3 PbI_3和带隙为1.1 eV的MoTe_2组成的2 T叠层太阳能电池在AM 1.5 G照明下显示出最大35.3%的PCE。这项工作激励实验实现这种太阳能电池的进一步调查。
2021-10-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Designing a Concentrated High-Efficiency Thermionic Solar Cell Enabled by Graphene Collector
我们提出了一个集中的电子发射太阳能电池的设计，这表明了一个高的太阳能到电能的转换效率大于10%的600太阳下，通过利用特殊的电，热和辐射性能的石墨烯作为集电极。通过构建一个分析模型，明确考虑到非理查森行为的电子发射电流从石墨烯，在真空间隙中的空间电荷效应，和各种不可逆的能量损失的子组件内，我们进行了详细的表征的转换效率限制和电功率输出特性的建议系统。系统地模拟和比较了石墨烯-石墨烯、石墨烯-金刚石和金刚石-金刚石等不同结构的双光子发射体的能量转换效率，结果表明，采用金刚石薄膜作为发射体，石墨烯作为收集体的能量转换效率最高，从而揭示了石墨烯在实现高性能双光子发射太阳能电池中的重要作用。在800个太阳下，其最大效率为12.8%，明显高于现有的几种固态太阳能电池设计，如太阳能驱动的热电转换器和热光伏转换器。因此，我们的工作开辟了新的途径，以提高电子太阳能转换的效率极限和下一代基于新型纳米材料的太阳能收集技术的发展。
2021-02-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Efficient all-perovskite tandem solar cells by dual-interface optimisation of vacuum-deposited wide-bandgap perovskite
串联钙钛矿太阳能电池是传统单结太阳能电池的低成本替代品，全钙钛矿串联光伏架构的功率转换效率高达26.4%。钙钛矿层的溶液处理方法使钙钛矿太阳能技术能够快速优化，但新的沉积路线是必要的，以实现模块化和可扩展性，促进进一步的效率提高和技术采用。在这里，我们利用4源真空沉积方法来沉积FA $_{0.7}$ Cs $_{0.3}$ Pb（I $_x$ Br $_{1-x}$）$_3$钙钛矿，其中通过对卤化物含量的精细控制来加宽带隙。我们展示了如何结合使用的MeO-2PACz自组装单层作为空穴传输材料和钝化的钙钛矿吸收剂与二碘化乙二胺减少非辐射损失，与这种双界面处理导致效率为17.8%的太阳能电池的基础上真空沉积的钙钛矿带隙为1.76 eV。通过类似地钝化窄带隙FA $_{0.75}$ Cs $_{0.25}$ Pb $_{0.5}$ Sn $_{0.5}$ I $_3$钙钛矿并将其与蒸发的FA $_{0.7}$ Cs $_{0.3}$ Pb（I $_{0.64}$ Br $_{0.36}$）$_3$的子电池组合，我们报道了具有分别为2.06 V和24.1%的冠军开路电压和功率转换效率的2端子全钙钛矿叠层太阳能电池。我们的干沉积方法的实施实现了复杂器件架构的高再现性，为模块化，可扩展的多结器件开辟了道路，其中衬底选择不受限制。
2022-08-06 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.app-ph
Simulation of TOPCon/PERC Hybrid Bottom Structure for Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells using Quokka3
本文提出一种混合PERC/TOPCon底电池结构，通过Quokka3模拟优化背面金属化，使金属占比约2%，以提升钙钛矿/硅叠层太阳能电池的开路电压和填充因子。
2025-04-14 physics.app-ph
Perovskite/silicon tandem solar cells: Effect of luminescent coupling and bifaciality
占市场主导地位的硅光电器件的功率转换效率接近其理论极限。双面太阳能操作与收获额外的光照射在模块背面和钙钛矿/硅串联器件架构是最有前途的方法之一，进一步提高能源产量从有限的区域。在这里，我们计算的能量输出的钙钛矿/硅串联太阳能电池在单面和双面操作考虑，第一次，两个子电池之间的发光耦合。对于能量产量的计算，我们研究了理想化的太阳能电池在这两个，标准测试以及现实的天气条件下结合一个详细的照明模型，定期太阳能电池板阵列。考虑到典型的实验光致发光量子产率值，我们发现钙钛矿顶部电池中超过50%的过量电子-空穴对可以通过发光耦合被硅底部电池利用。因此，发光耦合强烈放松了单片串联器件中顶电池带隙的约束。结合双面操作，最佳钙钛矿带隙从1.71 eV移动到1.60-1.65 eV的范围，其中已经存在高质量的钙钛矿材料。因此，这些结果可以改变开发用于串联太阳能电池的最佳钙钛矿材料的范例。
2020-12-14 physics.app-ph physics.comp-ph
Detailed-balance efficiency limits of two-terminal perovskite/silicon tandem solar cells with planar and Lambertian spectral splitters
我们推导出具有钙钛矿顶部电池和具有嵌入式光谱分离器的硅底部电池的双端串联太阳能电池的光伏转换效率极限。对于大带隙顶电池，光谱分离器由于增强的光吸收和捕获而强烈地增强了效率。一个朗伯光谱分离器显示出显着改善的效果相比，平面分离器：我们发现一个理想的效率提高的热力学极限为500纳米厚的顶电池的6%绝对带隙高于1.75 eV。反之亦然，光谱分离器几何结构的使用使得能够使用更薄的顶部单元。使用钙钛矿电池的实验参数，我们表明，对于1.77 eV的顶电池带隙，可以获得2.8%的绝对效率。这项工作中的计算表明，将光谱分离器集成到顶部带隙高于1.7 eV的钙钛矿/硅串联电池中可以导致效率的大幅提高，即使光谱分离器具有现实的实验损耗和非统一反射。
2020-12-23 physics.app-ph physics.optics
Nitride-based interfacial layers for monolithic tandem integration of new solar energy materials on Si: The case of CZTS
第三代太阳能材料在硅上的单片串联集成为光电化学和光电化学带来了巨大的希望。然而，当它涉及高温反应过程时，这可能是具有挑战性的，这将有可能损坏Si底部电池。一种这样的情况是薄膜硫属化物太阳能电池中的高温硫化/硒化，其中的一个例子是锌黄锡矿Cu2ZnSnS4（CZTS）。在这里，通过在界面处使用非常薄（<10 nm）的TiN基扩散阻挡层，具有不同的组成和特性，我们在器件水平上证明了Si底部电池的保护在很大程度上取决于阻挡层工程。几个单片CZTS/Si串联太阳能电池的开路电压（Voc）高达1.06 V和效率高达3.9%，实现了，表明性能与传统的界面层的基础上的透明导电氧化物，并指出一个有前途的替代设计在太阳能转换设备。
2020-10-16 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Analysis of two-terminal perovskite/silicon tandem solar cells with differing texture structure, perovskite carrier lifetime and tunneling junction quality
本文优化了两端钙钛矿/硅串联太阳能电池的纹理结构，通过电流匹配使效率从25.8%提升至35.9%，并指出改进薄膜质量与隧穿结后效率可达38.13%。
2024-03-25 physics.app-ph physics.optics
Flexible Perovskite/Silicon Monolithic Tandem Solar Cells Approaching 30% Efficiency
本研究通过提升钙钛矿相均匀性，解决了柔性钙钛矿/硅串联电池中电荷传输与应力释放的难题，实现了29.88%的认证效率，超越同类柔性光伏器件。
2025-04-29 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Nanophotonic Light Management for Perovskite-Silicon Tandem Solar Cells
钙钛矿-硅叠层太阳能电池是目前研究最多的概念之一，以克服硅太阳能电池的功率转换效率的理论限制。对于单片串联太阳能电池，可用光必须在两个子电池之间均匀分布，这被称为电流匹配。对于平面器件设计，钙钛矿顶部电池中的层厚度的全局优化允许达到电流匹配并且同时最小化太阳能电池的反射损耗。然而，即使在这种优化之后，也会发生反射和寄生吸收损耗，其加起来高达7 mA/cm $^2$。在本文中，我们使用数值模拟来研究钙钛矿顶电池中的六边形正弦纳米纹理如何降低组合串联器件的反射损耗。我们调查三种配置。电流密度利用率可以从优化平面参考的91%增加到最佳纳米织构器件（周期500 nm和峰谷高度500 nm）的98%，其中100%是指Tiedje-Yablonovitch极限。在第一次尝试实验实现这样的纳米光子结构的钙钛矿太阳能电池的单片串联，我们研究钙钛矿层，这是正弦结构的基板上沉积的形态。
2018-03-08 physics.app-ph physics.comp-ph physics.optics
CuIn(Se,Te)2 absorbers with bandgaps < 1 eV for bottom cells in tandem applications
University of Luxembourg（卢森堡大学）
研究开发了带隙低于1 eV的CuIn(Se,Te)2吸收层，用于叠层太阳能电池的底层细胞，实现了9%的功率转换效率。
2023-08-30 physics.app-ph
Harnessing near-field thermal photons with efficient photovoltaic conversion
大量的热能可在辐射和非辐射状态下接近材料表面，这可用于物质表征或用于能量装置。利用这种近场能量的一种方法是将其散射到远场。另一种方法是将吸收体靠近热发射体，并且在过去二十年中已经预测了利用近场中的热光子的全类新颖光子器件的出现。然而，近场热光子的有效热电转换，即开创性的构建模块，直到现在还不能通过实验实现。在这里，通过接近一个微米大小的红外光电池在纳米距离的热表面，我们展示了转换效率高达14%，导致前所未有的电功率密度输出（7500 W.m-2），数量级大于所有以前的尝试。该原理的证明是通过使用热石墨微球发射器（~800 K）和锑化铟电池来实现的，其低带隙能量与发射器红外光谱相匹配，并且是专门为近场设计的。这些结果为直接在近场转换热光子的高效光电探测器铺平了道路。他们还强调，近场热光伏转换器以非接触方式收集辐射热能，现在正在与其他能量收集设备（如热电）在大范围的热源温度上竞争。
2019-12-16 physics.app-ph physics.optics
Micro-optical Tandem Luminescent Solar Concentrators
传统的聚光光伏（CPV）系统利用多结电池来最小化热化损失，但不能有效地捕获漫射太阳光，这导致高的平准化能量成本（LCOE），并限制了它们在具有高直射太阳光日照的地理区域的使用。发光太阳能集中器（LSC）利用嵌入光捕获波导中的发光体产生的光，将光集中到较小的电池上。LSC可以吸收直射和漫射太阳光，因此可以作为平板接收器以固定的倾斜度和传统的模块形状因子操作。然而，当前的LSC通过寄生发光体吸收和光波导的不完全光捕获而经历显著的功率损耗。在这里，我们介绍了一种串联LSC器件架构，克服了这两个限制，由PLMA聚合物层与嵌入的CdSe/CdS量子点（QD）发光体和InGaP微电池，作为一个高带隙吸收器上的传统的硅光伏。我们实验合成了具有极高量子产率（99%）和超窄带发射的CdSe/CdS量子点，与制造的III-V族InGaP微电池最佳匹配。使用蒙特卡罗射线跟踪模型，我们显示了具有这些组件的模块的辐射极限功率转换效率为30.8%漫射阳光条件。这些结果表明，串联的硅上LSC-on-Si架构可以显著提高传统硅光伏模块的效率，简单而直接地改变硅光伏工艺过程的模块层压步骤，并有望在不同的地理区域和能源市场上广泛部署模块。
2017-09-05 physics.app-ph physics.optics
A Simultaneous Synergistic Protection Mechanism in Hybrid Perovskite-Organic Multi-junctions Enables Long-Term Stable and Efficient Tandem Solar Cells
本研究揭示钙钛矿-有机叠层电池中互连层C60再结晶形成离子迁移通道，但叠层架构通过有机层与钙钛矿层相互保护，实现25.5%效率及1000小时保持91%的长期稳定。
2025-10-09 physics.app-ph
Diamine Surface Passivation and Post-Annealing Enhance Performance of Silicon-Perovskite Tandem Solar Cells
本研究通过在钙钛矿/ETL界面引入DAP并对C60进行后退火，揭示THP形成与界面均匀化机制，将硅-钙钛矿叠层电池PCE提升至25.29%。
2024-12-04 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Thermodynamic limit of solar to fuel conversion for generalized photovoltaic-electrochemical system
白天/晚上能量输出的变化对光伏系统的广泛采用构成了主要障碍。集成的光伏（PV）和电化学（EC）-存储系统提供了一种解决方案，但是集成系统的热力学效率（η_sys）和实现极限所需的最佳配置仅针对通过复杂的数值模拟导出的少数简单情况而已知。在本文中，我们表明，一个简单的，概念上透明的，解析公式可以精确地描述一个“广义”PV-EC集成系统的η_sys。N结双面叠层电池的M电池模块在安装在Arabido R地面上的S太阳下照明。有串联的K-EC电池，每个电池由它们的反应电势、交换电流和塔菲尔斜率定义。我们推导了PV-EC设计的所有可能组合的η_sys（N，M，K，R，S）的最佳热力学极限。对于具有最佳-（M，K）和大N的设置，在1个太阳光照和λ_（max）= 0的情况下，η_sys的极限约为52%。该分析将统一全球不同团体发表的特定构型结果，并确定进一步朝着相应热力学极限迈进的机会。
2017-07-22 physics.app-ph
GaAs-Based Near-Field Thermophotonic Devices: Approaching The Idealized Case With One-Dimensional PN Junctions
热光子学（TPX）是一种接近热光子学（TPV）的技术，其中加热的发光二极管（LED）用作系统的主动热发射器。它允许通过电致发光将热通量调谐到更好地匹配光电池的间隙的光谱范围。该概念扩展到近场热光子学（NF-TPX），其中增强的能量转换是由于电气控制和波隧穿。我们进行了彻底的数值分析的GaAs基NF-TPX设备，通过耦合近场辐射传热求解器的基础上波动电动力学与算法的基础上简化版本的漂移扩散方程在1D。这允许在LED和光伏（PV）电池的发射和吸收曲线的调查，并为关键参数的影响的审查。我们还表明，该算法获得的性能可以接近理想的情况下，改进的设备。对于所考虑的简化架构和300 K的温差，我们发现1 W·cm-2的功率密度输出，强调了接近环境温度的废热收集的潜力。
2022-01-07 physics.app-ph physics.optics
Near-field radiative heat transfer between dissimilar materials mediated by coupled surface phonon- and plasmon-polaritons
近场辐射热传递（NFRHT）支持表面极化激元的不同材料之间的红外是至关重要的应用，如光子热整流和近场热光电转换。在这里，我们测量由6 H-SiC和掺杂Si制成的毫米级表面之间的NFRHT，分别支持红外线中的表面声子极化激元（SPhPs）和表面等离子体激元（SPPs），通过SiO2纳米柱保持的150 nm厚的真空间隙间隔分开。为了比较的目的，还在两个掺杂的Si表面之间进行测量。测量的辐射通量与基于波动电动力学的理论预测吻合得很好。对于SiC-Si样品，获得了超过~ 8.2的黑体极限的通量增强，由于SiC和Si光线的光谱失配以及SPhP和SPP共振，其小于Si-Si样品的增强（~ 12.5）。然而，由于SiC中的损耗低于Si并且SPhP-SPP耦合比SPP耦合弱，SiC-Si样品的近场增强表现出更显著的单色行为，其共振通量比Si-Si样品的共振通量大约5倍。这项工作表明，它是可能的调制NFRHT通过表面极化激元耦合，并将加速开发的能量转换和热管理设备利用近场效应的不同材料之间的热辐射。
2020-03-06 physics.app-ph physics.optics
Illuminating the Future: Nanophotonics for Future Green Technologies, Precision Healthcare, and Optical Computing
本文综述纳米光子学在绿色能源、精准医疗和光学计算中的最新进展，强调其提升效率、灵敏度与计算性能的潜力，并指出规模化与成本挑战及未来方向。
2025-07-09 cs.ET physics.app-ph physics.med-ph
Nonreciprocal thermal radiation in ultrathin magnetized epsilon-near-zero semiconductors
首次实验验证超薄磁化InAs半导体在ENZ频率下打破基尔霍夫热辐射定律，实现大于0.6的吸收与发射差异，并灵活调控单频、双频及宽带非互易热辐射，为革新下一代非互易能量器件奠定基础。
2022-03-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Laser-Annealing and Solid-Phase Epitaxy of Selenium Thin-Film Solar Cells
本研究提出激光退火结合固相外延技术结晶硒薄膜，解决了其光电质量瓶颈，制备出更大择优取向晶粒，实现创纪录的n=1.37、FF=63.7%和5.0%的PCE。
2023-07-13 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
